单片机基础的人体健康监测系统设计指南

摘要

经研究表明，我国亚健康状态的人群处于百分之七十左右，随着业余锻炼的时间越来越少，人们对健康更加重
视，也有许多中老年人把自主健康监测看的很重要，并要每天及时掌握自己的身体健康状况，以便可以更好地开展
日常工作和生活。因此，便携式健康检测装置成为了一种流行趋势，目前市场上已有很多此类产品，但大多价格昂
贵，所以本课题设计了一个基于AT89C51单片机的健康监测设备，它可以实时地对身体各项健康指标进行监控，具有
造价成本低，便携实用性强、安全性高等特点，适合于大众用户使用。本机采用核心单元系统，实现单片机复位、
中断等功能，利用传感器模块实现人体体温检测功能，利用光电传感器及信号处理电路实现脉搏心率检测功能，用
称重传感器实现人体血压监测功能，使用户能随时随地监测生理信息变化，为医生诊断和治疗提供了可靠依据。
　　一般而言，人的体温、脉搏、血压是对人体很重要的生理信息，一旦哪一方面出现异常，则可以判断出所在的
问题。而本设计主要监测人体体温、脉搏和血压，用于个人自主健康管理。
关键词：单片机；人体体温检测；脉搏心率检测；人体血压检测

前言

随着亚健康的人群越来越多，人们需要一个简单便利的生理信息监测系统，本设计的健康监测系统方便快捷，
可以实现对人体体温、血压、心率脉搏生理信息进行监测，一旦超出正常生理范围，系统将进行灯光报警，提醒用
户进行治疗就医，避免发生危险。
　　本设计是以AT89C51单片机为核心的健康监测设备，结构小巧，方便在任何场景使用，满足用户在除医院以外的地方也能对自身健康情况有初步了解，便携式监测系统将多个参数生理指标集成在一个设备，且通过设定范围进行
自动报警。利用体温检测模块采集人体体温，用DS18B20温度传感器进行检测，温度传感器对人体进行热量采样并转
换为电信号输出，完成检测时报警提示。人体血压测量模块将电压信号转化为数字信号，并对其进行分析处理。血
压测量模块使用的是ASDX001压力传感器，此传感器把绝对压力、差压和表力压等压力信号转化为电信号。脉搏心率
检测模块采用指套式透光型光电传感器和发光二极管组成光学传感器，将输出的光信号转换为电信号，测定完成后
将测定心率值与设定值相比较后显示结果，用LED屏幕显示监测的生理数据，用软件编程设定生理标准参数，当测量
结果超出标准参数范围时，单片机报警电路将进行报警。
　　利用Proteus仿真平台对人体体温、血压、心率脉搏进行了模拟仿真测量，当正常或超过正常参数范围时，通过
LED屏幕进行实时显示测试数据，对用户们自我健康监测起了重大意义。

1绪论

1.1研究目的
　　人体生理信号包括体温、脉搏、呼吸频率、血压、体重、肺活量等基本生理信息，检测方式主要为有创检测和
无创检测。生理信息参数对使用者的健康和科学研究具有重要意义，不同的生理变化可以反映出相应的身体健康变
化，为临床诊断提供可靠的指标。随着科技的不断进步人们的生活质量也随之提高，更多人开始关注健康动态，人
们希望能够得到专业人员进行实时监测并做出相关判断。在正常饮食和适当穿衣等健康条件下，体温一般在36.5摄
氏度左右（大约在36.237.2摄氏度之间）相对稳定。但由于环境或个人因素的原因，会影响到体温的稳定，从而出
现不舒适现象。正常人体平均温度为36.237.2摄氏度，超过这个范围就是发烧，体温在36.2摄氏度与37.2摄氏度之
间为低热，体温在38.2摄氏度与40.2摄氏度之间为高热，需要及时就诊，避免因高温引起生理机能紊乱。如果身体
出现某些异常或疾病需及时就医，例如糖尿病患者会出现血糖升高的现象。此时，若不及时采取治疗措施，可能导
致病情进一步加重或者危及生命，因此必须引起高度重视。人体血压有五种类型，收缩压低于120mmHg，舒张压低于
80mmHg是正常血压，收缩压在120129毫米汞柱之间，舒张压低于80毫米汞柱时定义为高血压，收缩压达到130139毫
米汞柱时，舒张压在8089毫米汞柱之间为一级高血压，收缩压在140毫米汞柱以上，舒张压在90mm以上为二级高血
压，高血压在180mm毫米汞柱以上，舒张压在120毫米汞柱以上为高危型高血压。心率脉搏在安静状态下，成年人的
心率大约是每分钟60100次左右，而对于年老者来说，其心率比成年人快很多，并且随着年龄增长，心率也会逐渐加
快，甚至达到一个人一生中平均心率一半以上。在此趋势下，研究便携健康监测系统具有重要意义。
1.2课题研究的国内外现状
　　在一些西方发达国家，随身健康监测产品已经是国民生活中重要的组成部分，外国人对运动健康的重视程度也
大大高于国内。国外的高新技术产业发展相对国内发展较早，所以健康监测系统起步也远早于国内。HasmahMansor
与MuhammadHelmyAbdulShukor认为远程健康监测系统一直是医学从业者、工程师和IT专业人员之间的一个有趣话
题。应用APP软件程序，医生可以通过网络来监测患者的生命体征。远程健康监测系统对患者和社区医疗服务都有好
处，通过检测系统能快速且高效地判断出自身生理情况，将大大节省就医费用，缩短患者就医等待时间，减少医院
人流量。RifatShahriyar,、Md.FaizulBari和GourabKundu认为健康监测作为科技发展的主要应用领域之一，被人们
反复提及。移动医疗是移动计算和健康监测的结合，它利用移动计算技术，来改善病人、医生和其他卫生保健工作
者之间的沟通。便携医疗设备已经是我们日常生活中不可缺失的一部分，它可以将医疗保健更好地无缝融入我们的
日常生活。健康监测设备可以在任何时间、任何地点为人们提供准确的医疗生理信息。AmayaArcelus与
MeganHowellJones认为在老年人群中，保持行动能力和认知功能是一种挑战，生理机能的退化使他们独立生活不
便，因此许多老年人不得不花费高额的医疗费用去寻求医疗保健住所，在那老人们可以更好的获得医疗监督。研发
一个以家庭为基础的自动化医疗系统，在不引人注目的情况下能监测他们的健康状况，将为他们提供一个更舒适安
全和独立的生活方式，并不需要花费大量医疗费用。RobertF.Dickerson、EugeniaI.Gorlin、JohnA.Stankovic认为
抑郁症是一个影响超过美国2100万成年人的主要健康问题，通常得不到治疗，即使在接受治疗时，也很难监测治疗
的有效性。为了解决这些问题，他们为家庭创建了一个实时抑郁症监测系统，该系统7天24小时全天候运行，并可能
检测到抑郁症发作的早期迹象，和跟踪管理抑郁症的病情进展。设计一组集成无线传感器、触摸屏站、移动设备和
相关软件，来收集患者数据，跨越许多不同的行为领域，包括睡眠、体重、日常生活活动和言语韵律。这种跨多个
行为领域汇总数据生成的报告可以为医护人员提供更准确更全面的信息，从而帮助患者进行有效诊断和治疗评估。
　　在国内，目前我国老龄化较为严重，60岁及以上人口比重达18.7%，随着大数据时代的到来，便携式健康监测设
备变的尤为重要，石明星研制了以导电纤维为主要材料，通过传感器进行信号采集，为医生提供了详细的监测数
据，对中老年人疾病预防起了重要意义。刘家宇和杨海涛通过对人体生理数据的研究，设计了低功率的无线连接穿戴设备，可以为独居老人进行医疗健康监测，保障独居老人的身体健康情况。董晓和宾光宇设计出了可以监测呼吸、脉搏、血压、血氧饱和度等生理信息的智能便携健康监测设备，设备解决了传统医疗不能长时间监测血压的弊
端，为医生诊断和患者治疗都提供了可靠的依据。新元素医疗技术开发有限公司对便携式血糖仪设备进行了研究，
此设备能让患者在任何时间任何地点便携测试血糖，通过无线数据将测量结果发送至医疗数据中心，为患者建立电
子病例档案，方便对患者血糖的监控，快速找出病因。王宪忠基于郎伯-比尔定理的脉搏监测方法，用便携式健康检
测设备对人体生理参数进行了监测，让健康状况变成了可视化，对体育训练、医疗康复等都做到了可视化管理，提
高了人们的生活质量。朱红浪和李林等人用红外测温传感器和脉搏血压传感器设计了一套多功能健康监测系统，实
现了人体生理参数的实时显示，大大提高了使用者对健康状态的认知，及时了解自身健康情况。
　　通过对国内外文献的阅读分析，外国的智能可穿戴医疗监测系统发展较为迅速，随着居民消费水平的提高和人
们对自身健康管理的日益重视，各种家用医疗设备逐渐走进千家万户，成为居家医疗、护理、保健场景中不可缺少
的工具，到2022年全球智能穿戴健康监测设备以超过60亿销售额，超八成的家庭需要健康监测设备。
1.3可穿戴人体健康监测系统设备发展趋势
　　听诊器是医师们最常用的医学仪器，听诊器的出现改写了医学的历史，在1861年9月13日，法国著名医学家雷奈
克在卢浮宫广场散步时，看到了几个孩子在愉快的玩耍，一个男孩用大头针在长木上刮出密码，另一个男孩在长木
另一端侧耳倾听，密码通过长木清楚地传递到耳朵，雷奈克医生茅塞顿开，回到医院利用笔记本卷成圆筒可以清楚
地听到患者声音，听诊器从此诞生，创造了医疗历史性的一步。1975年，HamiltonWatch推出了第一款Pulsar穿戴式
手表。1977年，Collins研发了一款头戴式盲人眼镜，盲人眼镜将摄像头的图像转换成穿戴式的触觉网格上，使盲人
第一次看到了光明。1984年，卡西欧开发了全球最早的CasioDatabankCD-40数字存储手表。2011年，Jawbone推出了
智能健身腕表，可以监测人体的睡眠质量、运动情况、饮食状况等等，智能健身腕表可与手机APP进行互联，实时记
录人体生理数据。可穿戴式医疗设备有着巨大的潜力，越来越多的科学家开始尝试把传感器应用到穿戴医疗设备，
Starkey利用WIFI和智能降噪技术为听力受损患者提高听力清晰度，据调查统计，有超过三千万的可穿戴式健康设备
应用到智慧医疗领域中，65岁老年人的患病率是青少年的三到七倍，随着老龄化的不断加重，空巢独居老人随之增
多，实时监控健康监测设备的需求量大大增加，研发更高效、智能、安全的便携式健康监测系统设备刻不容缓。
1.4系统设计方案
本设计基于AT89C51单片机，AT89C51单片机可进行上千次的反复读取擦写，编程能力强性能高，功率低，满足大多
数设计需求。设计还包括人体体温检测模块、脉搏心率检测模块、人体血压监测模块、显示器模块和集成电路。本
系统通过按键来操作三种不同模式：体温检测模式、脉搏心率检测模式、血压检测模式。
　　其中，主要分为三个部分。体温检测功能是基于AT89C51单片机设计实现，利用DS18B20芯片的数字型温度传感
器进行温度采集，当体温监测数据超过人体正常温度值时设备进行报警提示。脉搏心率检测功能是利用传感器把脉
搏转换为单片机可接受的电信号，利用光电传感器和信号处理系统，脉搏每跳动一次就会产生一个脉冲，随之单片
机也产生一个中断，中断一次设备就进行一次计数采集，把采集的中断按每分钟进行一次采样，最后得到脉搏心率
值。血压检测功能使用ASDX001压力传感器，此压力传感器设备运行稳定，可测量多种压力值，在血压超过设定目标
值时发出警报提示，使用户更快掌握自身生理变化。

2系统硬件设计

人体健康监测系统的硬件电路主要包括体温检测模块、脉搏心率检测模块、人体血压检测模块、复位电路、电
源模块、显示电路模块、USB通信模块、键盘模块、报警电路系统等。系统总体设计方案框图如图1所示。

图1系统总体设计方案框图
2.1AT89C51 单片机
　　本设计选用AT89C51型号单片机，此型号单片机是带有4K字符FLASH存储器的CMOS8位微处理器，包含了运算器和
控制器两部分，即可处理数据还可处理位变量，具有电压低、性能高等特点。AT89C51型单片机可与MCS-51兼容，循
环擦写可达上千次，RMA具有128内部字节，字节地址为00H~7FH，还可扩充至64K字节加快数据处理，32个可编程I/O
口线，两个16位定时计数器，5个中断源，其中有2级中断优先，全双工可编程串行通信口，可串行通讯、扩展I/O
口，具有四种工作模式。AT89C51还有21个特殊功能的寄存器，可对片内每个功能进行管理、控制、监视等。还有低
功率时停止CPU工作的闲置模式和掉电模式，当设备掉电时，可保存RAM中的内容，但振荡器停止工作直到通电后硬
件复位，重新开始工作。
2.2体温检测模块
　　正常的体温可以使人体保持正常新陈代谢，体内的大量化学反应都需要在适宜的温度范围内进行，当体温过低
或过高时，体内的大量DNA的酶被破坏，可能造成永久性器官衰竭，甚至威胁生命。
　　体温检测模块是采集人体体温的模块，目前使用最多的有热敏传感器和非接触式传感器两种传感器，物质的电
阻率随着温度的改变而变化承为热电阻效应，当温度发生改变时，导体的阻值也随温度而变大或变小，温度升高阻
值上升，温度降低阻值下降，在一定温度范围内温度可以通过电阻值的大小来判断温度的高低。热电阻传感器分为
金属热电阻和半导体热电阻，金属热电阻造价成本高，抗震效果差，热敏电阻灵敏度高体积小、反应迅速，但稳定
性差不能长时间使用。接触式温度传感器体积小，反应迅速，成本低可靠性强。本设计选择的是DS18B20接触式温度
传感器，DS18B20温度传感器是DS1820改进的一款智能温度传感器，温度测量范围为-55摄氏度到+125摄氏度之间，
与热敏电阻相比DS18B20温度传感器可以直接读取温度数据，有较强的编程能力，可以用16位数字量进行串行输出，
数据传输线路与电源供电线路合二为一，更加方便安全。DS18B20温度传感器采用3脚PR35进行封装，精准度更高，
转换时间更快的特点。DS18B20温度传感器如图2所示。

DS18B20温度传感器主要由四部分结构组成，64位光刻机ROM、非挥发性温度报警触发装置TH、TL和高速寄存器
。在硬件连接方面，DS18B20有两种连接方式，第一VCC与外部电源连接，GND接地，I/O连接单片机的I/O线，另一种
连接是连接寄生电源进行供电，VDD与GND连接地线，I/O连接单片机的I/O线。当采用上述两种方式进行电路连接
时，必须保证在这两种连接模式之间切换成功后才能正常工作。如果不能实现这种转换则会造成芯片损坏或者无法
工作等后果。DS18B20高速寄存器结构图如图3所示。TM分为两种模式一种为工作模式一种为测试模式，R0和R1为设
置分辨率

本设计选用第一种连接方法，即利用单片机的串口通讯接口，将传感器采集的模拟量信号转换为数字信号，发
送到单片机上进行处理。得出控制命令后发送到执行机构。将DS18B20的数据连接线到单片机的P23引脚上，连接后
加上上拉电阻，体温采集过程中也可能产生误差，例如传感器与人体皮肤接触时间过短或接触不紧密时都会产生误
差，产生误差时可进行多次测量。体温采集电路设计图如图4所示。
2.3人体血压检测模块
　　血压通常指动脉血压，由血管的搏动产生，对心血管疾病的预防有重要意义。血压在血管进行流动循环对人体
生命维持具有重大意义，从流体力学的角度研究，心血管血压流动分为大循环和小循环之分，大循环血压从心脏流
向动脉，在到各个组织及静脉，最后回到心脏，小循环为血液从动脉流向毛细血管，再流向静脉，人体通过血液循
环进行物质交换。
　　血压检测模块采用ASDX001压力传感器，采用单片机作为核心控制单元，实现自动校准且具有良好的交互功能，
压力传感器能测量绝对压、差压和表力压三部分，测量范围为1100PSI，真空参比值设置在绝对压传感器内，可直接
输出与绝对压成正比的信号，在实际应用中，差压装置通过传感膜片来产生压差。
　　ASDX001压力传感器共有8个引脚，其中5个为空脚，工作状态的电压为+5伏，该传感器主要应用在工业检测中对
被测设备进行压力参数的采集与分析。本设计采用了一种新颖的方法来实现这种功能。采用+Vs引脚输入+5伏电压，Vout为输出脚，将测量到的数字电压信号发送至单片机P1.0引脚上，ASDX001接地引脚为GND。因此，只需将传感器
的输出引脚Vout与P2.1引脚连接即可。压力传感器与单片机的连接电路设计图如图5所示。

图5压力传感器与单片机的连接电路设计图
2.4脉搏心率检测模块
　　脉搏（Pulse）为人们在体表能触摸到的动脉血管搏动称为脉搏，人体内循环系统通过心脏组织输送血液，由血
管传输，负责输送人体内的氧气、二氧化碳、养分等。动脉由丰富的肌肉及结缔组织形成通路，当有血液经过时，
由于压力血管将进行扩张，即可在体表触摸到。当血液经过主动脉流向全身产生的持续性状态为脉搏波，通过仪器
记录下就可呈现出有上下幅度的波幅，脉搏波传播的速率为波速，通过分析采集到的脉搏波就能看出人体循环特
性，能高效快速的反应出心血管系统中的生理信息，为医生诊断提供了可靠依据。
　　近年来，结构简单，无创伤的光电检测技术在医疗应用中大力推广，由于光电检测准确，能避开自然界强磁的
干扰，更快速更安全的检测出患者的身体信息，大大提高了检测效率，引起了生物医学设备专家们的关注。从脉搏
波中提取人体生理基本信息，为医生诊断做出依据，做到疾病早发现早治疗。
　　本设计为指套式透光型光电传感器，光电绝缘，这种传感器的优势为减少对模拟电路的干扰，传感器由发光二
极管和光电二极管组成。将非电量转换为电量元件，将有一定线性关系的光按比例穿过手指，手指经过组织中的血
液吸收和衰减后，由二极管进行接收，转换成便于测量的物理信号后输出。手指组织可分为多个组织，非血液组织
的脉搏是相当微弱的，我们忽略不计，手指的动脉血在血液循环中有强烈地周期性搏动，在恒定波长的照射下，光
电二极管输出的信号变化反映了动脉血液中的波动变化。
　　目前，脉搏波检测系统主要包括光电容积脉搏传感器、液体耦合腔脉搏传感器、压电电阻脉搏传感器和应变脉
搏传感器，这些方法具有快速、准确、无创伤的特点，在光电检测计算及医疗应用方面有很大优势，但是光电检测
需要加上强磁来获取人体基本生理信息，存在效率低下、成本高以及对生物医学设备要求高等缺点，受到了专家学
者们的广泛关注，脉搏波是人体生理学重要的基本信息，为医生早期诊断提供了参考依据。
　　脉搏心率信号采集电路图如图6所示，U3部分为红外发射机与红外接收机，通过发射机发射红外信号，接收机进
行接收。红外二极管中的电流越大，透射角越小，发射的信号强度越高，需要的电阻也越来越大，R21选择270Q，还
需要根据红外三极管中传感器的红外接收灵敏度来考虑电阻是否符合。R21如果过大，则通过红外LED的电流太小而
无法检测到信号输出，红外接收三极管就不能正确区分脉冲信号与非脉冲信号。反之，R21过小，如果电流过大，红
外接收三极管也无法准确识别出脉冲信号，如果手指远离传感器或被强光干扰脉搏心率检测输入端的直流电压就会
发生很大的变化，数值也会发生错误。为了避免漏入到U2B输入端造成显示错误，我们用双极性耦合电容器C8、C9进行隔断区分。
　　当手指处在测量位置时，有两种条件，一为无脉搏周期，虽然无脉搏周期挡住了二极管发出的红外光线，但红
外接收装置接收到三极管中的暗电流，使输出电压略有下降。另一种是有脉期。在人体生命活动过程中，由于心脏
收缩和舒张产生了脉动性心跳，这种搏动频率随时间变化而波动，随着脉冲的增大，血液逐渐降低手指的透光率，
降低红外接收三极管的暗电流，提高电流输出电压。传感器输出信号的频率很低，因此，每分钟50次脉冲为0.78赫
兹，每分钟200次脉冲为3.33赫兹。当被测对象处于低频时，由于被测物体本身固有的特性而产生较大的噪声；当被
测物处在高频段时，又会因为系统自身因素引起测量误差。用R22和Ci。对滤波去除高频干扰后，用线性放大器放
大，在线性放大器加入耦合电容C8和C9滤除噪声。
1 VCC
I n R21
\ R22 || 56K
56K T
T厂
TH cio >
C9 C8 =p C10
2.2 皓 2.2 M 2.2 “F—
（1）信号放大系统
　　低通放大电路设计图如图7所示，以人体运动后每分钟200次脉搏心率跳动为标准设计低通放大器，R23、C6做低
通滤波器滤除剩余干扰，终止频率由R23和C6决定，运算放大器U2B放大信号，放大比率由R23和日27的比率决定。

图7低通放大电路设计图
通过一阶有源滤波器器的滤波进行函数传递得出;
V0（s） A0
心F=U
Wc
放大倍数：Ao=1+R23=1+务功214
截止频率：fo=>^-功3.39Hz
2nR23 C6
　　当人体的脉搏跳到200次/分钟时，它会发出3.3Hz的频率，说明低频特性良好，但心率测量过程中也会存在误差
发生，如果传感器的温度过高或过低时导致传感器与皮肤接触不紧密，使传感器测量结果出现误差。
（2）波形整形部分
　　波形整形电路设计图如图8所示，U2C是一个电压比较器，C11、R29构成一个微分器，U2A、C7、R32组成单稳态多谐振荡器，其脉冲宽度由C7、R32控制。比较器的阀值电压可通过R31在正弦波的幅度范围内进行调整，但调整条
件并不严格，将U2C输出信号经过C11和R29微分处理后，在单稳态多谐振荡器U2A的反向进行输入，始终施加正负之
间的尖脉冲，触发误差不大。
　　当信号传输时，U2A在比较器输入的每个后沿进行输出，输出为高平点，允许C7通过R32充电。经过约20毫秒
后，C7的电荷电流下降导致U2A同相输入端的电压降低到反相输入端以下，且最后脉冲已经过去很长一段时间。然后
再次改变U2A状态，输出低电平。脉冲与脉搏心率同步，红色LEDDS3发生闪烁。即用LED来显示测量脉冲的状态，脉
搏心率每跳动一次LED就被点亮一次。同时，通过R24将脉冲电平传送到INOT脚接口，计算并显示脉搏心率值。
2.5单片机处理电路
　　以AT89C51单片机为主要部件，此单片机可以更快、更准确地处理数据，并可根据实际情况采用外设编程，元器
件少，故障率低。将脉冲电平输入单片机的INTO脚，单片机设置为负跳变中断触发模式，脉冲触发中断开始计时，
定时器完成每分钟的定时功能，一次脉冲就累计一次脉搏心率次数，当定时器时间达到一分钟时，脉冲总数进行累
积记录。
2.6显示电路设计
　　显示器模块采用HD44780控制器，控制LM016L的液晶显示屏，此控制器指令集简单，功能强大。它能够实时地输
出所需要的数据，并且具有良好的人机交互界面，可进行字符移动闪烁等功能。系统由单片机控制，工作模式有两
种：8位、4位输入和输出，以及并行传输模式。
2.7报警电路设计
　　当需要报警电路报警时，二极管连接电阻，如果发生报警，二极管灯就会闪烁，当设备检测正常时LED二极管灯
灭，这时继电器断开，报警器断电。当报警开始后，继电器又导通，报警器再次工作。当不需要报警时，继电器的
延时使LED熄灭，LED会自动关闭，报警电路与微机P2.0脚接口连接，可以通过LED报警灯是否闪烁来判断生理状态是
否正常。
2.8单片机最小系统
　　单片机最小系统可分为三部分，供电电源部分，晶体振荡器部分，复位部分。不同的单片机对供电的要求也不
同，单片机不能承受过高高压，电源正负极也需要正确连接，避免由于失误造成单片机损坏。晶振为高精度稳定石
英振荡器，在单片机上有两个外部输入口与晶振连接，并将晶振连接电容，可过滤晶振的高频信号，使工作状态更
加稳定。
　　单片机的最小系统应该包括AT89C51单片机、晶体振荡器电路和复位电路。其中，AT89C51单片机芯片内部集成
了控制核心，复位电路则对应检测仪的重启部分。当检测仪出现故障时，可以进行自动复位，晶体振荡器电路的作
用是为单片机提供稳定的时钟频率。频率越高，单片机的运行速度越快，因此，晶体振荡器电路的作用是非常重要
的。单片机最小系统设计图如图11所示。

图11单片机最小系统设计图
2.9电源电路设计
　　电源由多个电池进行供电输出，在此情况下，为了防止由于电流流过而导致的短路或损坏等问题，将一个具有
多个电容器和电阻元件组成的储能装置，设置成可以串联或者并联使用的装置，电源透过Li、Di和U3形成PFM增压电
路，R33和C9为当电压增压后对电压进行滤波作用。当3V的电压从Li电流流向升压IC时，升压输出从第三引脚输出为
5V，在设备关闭状态下，Q4为开关不导通，C9、C9为滤波电容器。当电源按钮打开时，Q4导通，5V电压输出到VCC并
输出到其他设备。电源电路设计图如图12所示。

图12电源电路设计图
2.10按键键盘电路设计
　　键盘是用来进行人机对话的设备。为了使系统能与用户进行有效的信息沟通，通过键盘对系统进行参数设置，
设置完成后，发送控制命令，按照系统显示所示的四个按钮硬件连接线路。
　　S1键为体温检测键，S2为血压测量键，S3为脉搏测量键，S4为结束键，测量仪上的按键与单片机上的I/O接口直
连的方式连接。
2.11USB通信电路
　　为了实现数据存储，需要将数据上传到上位机，通常情况下，采用串行通信协议进行数据传输，串行通信可以
在一定程度上提高系统性能和可靠性，但其传输距离短、抗干扰能力弱的缺点也限制了其应用范围。下位机和上位
机之间的传输方式主要采用RS232接口，这是一种常用的通用接口电路，也是目前应用最广泛的方法，但RS232与单
片机之间需要电平转换芯进行转换，RS232是由单片机和电平转换芯组成MAX232C的传送速率达到了20kbitls，而USB
接口是一个新的接口标准，目前几乎所有的新型计算机的外设上都使用USB接口，它有数据传输速度快、连接简单、
兼容性好等特点。由于USB接口的先进性和目前应用的广泛性，USB接口已经成为了数据通信中不可缺少的一部分。
CP2141是一个单芯片USB转换成UART桥接的解决方案，芯片中包含2.0USB全速控制器EEPROM、缓冲存储器和带有调制
解调器接口信号的异步串行数据总线。CP2101的UART接口包括TX(send)和RX(receive)数据信号，以及RTS、CTS、
DSR、DTR、DCD和RI控制信号，且UART支持RTS/CTS,DSR/TR，和X-On/XOFF信息交互。
　　系统采用RS232传输芯片CP2101实现与设备的通信，CYGNAL附带一个设备驱动程序,可以将CP2101实现COM端口，
大大简化了系统开发的时间和成本。重要的是，这仍然是一个低电压芯片，可以实现低功耗。该程序主要进行参数
设置、波特率设置和工作模式选择等。
　　AT89C51单片机有两个串口，串口1连接到CP2101,CP2101有一个内置的内部振荡器和一个USB收发器，不需要其
他外部电路元件。USB通信CP2101电路设计图如图14所示。

图14USB通信CP2101电路设计图
2.11本章小结
　　本章主要介绍了健康监测系统的硬件部分，首先对人体健康监测系统进行硬件结构分析及各部分功能介绍，之
后对各部分电路进行了详细说明。依照先后顺序把AT89C51单片机与温度传感器，压力传感器、显示电路系统、报警
电路系统、USB通信模块等相互连接，满足系统使用相应的硬件要求。
3系统软件设计
　　主控制程序流程图如图15所示，系统进行初始化，按键按下后对键盘反复读取并传输到对应的处理器。当按S1
键时，人体体温将会在屏幕显示出来。当按下S2键时，将人体血压数据在屏幕上显示，当按下S3键时，屏幕将显示
脉搏心率数据。在体温、血压、脉搏都检测完成后，重新连接读取键盘程序并运行，直到按下结束键，主程序结束
，等程序全部完成后可再次开机检测。

图15主控制程序流程图
3.1人体体温检测系统流程图
体温检测流程图如图16所示，单片机和DS18B20使用单总线模式，
　　并且编程严格依赖DS18B20读写时序。数据在被释放之前会被拉长到500微秒，释放当前数据，之后单片机等待
DS18B20发出60至240微秒的脉冲信号，如果DS18B20发出脉冲且单片机接收到指示信号后，初始化DS18B20，单片机
发出ROM指令，然后发出RAM指令，再发出温度转换指令后，延时750微秒后，微控制器就会产生一个体温值，如果没
有异常情况，这个体温值在设定的标准范围内。最后，按下S4按键，子例程结束，返回主程序，一旦没有检测完体
温温度则继续进行检测，检测完成后程序停止。
3.2人体血压检测系统流程图
　　人体血压检测流程图如图17所示，即人体血压检测系统流程图。此模块设计的人体血压检测系统主要包括测量
袖套、气泵、压力传感器、单片机信号处理，LCD显示部分等装置，核心为通过放大后的脉搏信号，随着袖带充气挤
压，相邻脉搏波之间时间间隔由小变大再由大变小。间隔最大的时间间断所对应的压力值为平均动脉压，选取某一
时间间隔与最大时间间隔的比值大于0.85时，为收缩压，在间隔由大到小的过程中，取某一小段时间间隔与最大时
间间隔的比值小于0.7时，为舒张压。
3.3脉搏心率检测系统流程图
　　中断程序流程图如图18所示，脉搏心率检测系统采用中断程序方式完成检查脉冲心率，并且将每次中断对脉冲
数目就加1。脉冲检测子程序，使用单片机中的两个定时计数器，进行一分钟的延时设定，计算每分钟脉搏心率数，
并提醒用户注意脉搏心率数目。若无异常，则通过单片机中的处理器将脉冲数转换为BCD码，在液晶显示模块中显示
脉搏数。此时，确定是否按下S4键。如果按下则终止子程序并返回子程序，否则脉搏继续被测量。脉搏心率检测流
程图如图19所示。

图18中断程序流程图
3.4键盘电路系统流程图
　　本设计采用独立键盘进行记录，清除各个检测指标的信息。键盘程序的编写有两种方式分别是查询方式和中断
方式。使用查询方式MCU一直在查询是否有按键正在进行操作，不能做其他的事情，而MCU使用这种方法的效率很
低。当用户需要输入一些参数或要求对这些参数进行控制时，则必须通过中断方式才能完成，这大大影响了单片机
的性能。因此，本文提出一种新的查询处理方法。为了提高MCU的效率，系统使用外部中断（扩展外部中断）检查按
钮是否被按下。
3.5本章小结
　　本章详细介绍了人体健康监测的软件设计与系统总体架构图，把健康监测系统进行流程图模块化分解，陈述并
使用框图来描述系统基本业务，进行数据解析等等，对各个模块的设计与实现进行了描述说明，最后介绍了软件系
统实现。

4Proteus模拟仿真

Proteus模拟仿真软件为英国Labcenter公司研发的仿真工具，他能将硬件操作系统与软件操作系统结合进行仿
真，在近20年的发展里，Proteus的功能也不断完善。
4.1Proteus电路设计流程
（1） 选择File，利用NewDesign指令在对话框中选择合适图纸尺寸。
（2） 选择合适的线宽、字符、填充类型等。
（3） 在component中找到FromLibraries兀器件库，通过库选取所需元器件进行绘制。
（4） 利用自动连线工具进行引脚连接。
（5） 选用ElectricalRuleCheck功能，做电气规则检查。
（6） 将绘制好的原理图进行保存。
4.2Keil集成开发环境中的编译
　　整个设计通过用C语言软件进行编程，在Keil集成开发环境中编译调试后生成HEX文件，Keil源自德国，为微处
理器而研发的开发平台，是ARM内核单片机主流的开发软件，被上百万工程师使用，Keil包括uVision3、uVision4、
uVision5集成搭建环境，适合多种芯片仿真，还可自动进行代码配置启动。首先建立项目文件，然后创建一个新的C
语言程序将其添加到项目文件，最后再将这些文件打包编译项目后生成HEX文件。Keil软件开发流程示意图如图21所
示。

图21Keil软件开发流程示意图
　　（1） 双击Keil软件打开，在软件中选择Project菜单栏，下一步选择NewProject，输入项目名称为jkjcxt并保存，文件扩展名为.uv2。
（2） 在仿真软件中选择AT89C51单片机。
（3） 按Ctrl+N键创建新程序文件并用Ctrl+s保存。
（4） 在项目中新建程序文件，主程序为main.c文件，子程序为.h文件，用Ctrl+s进行保存。
（5） 在菜单栏找到Optionsfor‘Target1’，修改参数并确定保存。
（6） 建立编译程序文件，选择BuildTarget，生成jkjcxt.HEX文件。
（7） 运行Protues仿真软件，打开原理图文件，选择AT89C51型号单片机，找到编译好的“**.HEX”文件。
　　生理信息参考数据：人体正常平均温度为36.237.2摄氏度，体温在36.2摄氏度37.2摄氏度之间为低热，体温在
38.2摄氏度与40.2摄氏度之间为高热。收缩压低于120mmHg，舒张压低于80mmHg，是人体正常血压，收缩压在120129
毫米汞柱之间，舒张压低于80毫米汞柱时定义为高血压，收缩压达到130139毫米汞柱时，舒张压在8089毫米汞柱之
间为一级高血压，收缩压在140毫米汞柱以上，舒张压在90mm以上为二级高血压，高血压在180mm毫米汞柱以上，舒
张压在120毫米汞柱以上为高危型高血压。人体正常心率脉搏在安静状态下，心率值大约是每分钟60~100次左右，低
于参考值则为心率过缓，高于参考值为心率过快。
　　体温需要等待十秒钟之后，显示测量结果。心率脉搏是通过测量20秒内脉搏跳动的次数乘以6得出每分钟心跳次
数，本设计用频率1.5HZ的脉冲信号模拟人体心脏跳动，20秒过后显示出每分钟心率。血压需要等待
30秒钟后测出数值。

图22仿真模拟图
　　在仿真模拟图22中，模拟测量仿真后LCD屏幕显示Temperature： 36.6°C、Heart Rate： 70、Systolic
blood pressure： 115、Diastolic pressure：
70,表示测试人体体温为36.6C,每分钟脉搏心率为70次，人体血压收缩压为115mmHg,舒张压为70mmHg,监测结果与设
定正常值相符，LED灯不发生闪烁。

图23仿真模拟图
　　在仿真模拟图23中，模拟测量仿真后LCD屏幕显示Temperature： 38.6°C、Heart Rate： 72、Systolic
blood pressure： 117、Diastolic pressure：
75,表示测试人体体温为38.6C,每分钟脉搏心率为72次，人体血压收缩压为117mmHg,舒张压为75mmHg,监测结果体温
超过设定生理参数，为高热状态，LED灯闪烁报警，需要尽快就医处置。

在仿真模拟图24中，模拟测量仿真后LCD屏幕显示Temperature： 37.0°C、Heart Rate： 121、Systolic
blood pressure： 123、Diastolic pressure：
82,表示测试人体体温为37.0C,每分钟脉搏心率为121次，人体血压收缩压为123mmHg,舒张压为82mmHg,监测结果心率
脉搏超过设定生理参数，LED灯亮起，需尽快就医处理。

图25仿真模拟图
　　在仿真模拟图25中，模拟测量仿真后LCD屏幕显示Temperature： 36.8°C、Heart Rate： 73、Systolic
blood pressure： 163、Diastolic pressure：
95,表示测试人体体温为36.8C,每分钟脉搏心率为73次，人体血压收缩压为163mmHg,舒张压为95mmHg,监测结果显示
异常，为二级高血压，LED灯亮起，提示用户尽快就医诊断。

结论

该设计的健康检测系统设备以单片机AT89C51系统板为控制核心，以体温检测模块、脉搏检测模块、血压检测模
块、数码显示模块和键盘电路模块等模块为主要模块。
　　可穿戴式健康监测系统通过穿戴式生物传感器对人体的运动和生理参数进行采集，从而达到非介入和连续无创
地诊断监测的目的，本系统设计的健康监测产品，能随时随地的检测人的健康情况，并且适合任何场合、任何地
点。本系统通过按键进行功能选择，就可以进行检测人体的体温、血压、脉搏等参数。为更深一步拓展系统的功能
从而使系统具有更好的兼容性，可通过串口和设备进行通讯。随着电子技术应用的发展以及人们对健康意识的提
高，人体健康检测仪器正朝着多样化、多功能、低功耗、便携式方向发展。目前，国内市场上有很多健康监测设
备，这些产品各有特点，为人体健康提供了可靠保障，但也都存在一些不足，例如检测时可能由于某些因素导致存
在误差，我们要不断研发新型健康监测系统设备，为我们的健康保驾护航。

作者：qq_1039692211